Identification of selective activators of protein kinase C isoforms from a library of semi-synthetic derivatives of natural diterpenoids isolated from Plectranthus grandidentatus

Abstract

The protein kinase C (PKC) is a family of enzymes involved in several cellular processes, including in cell survival, proliferation and apoptosis. The characteristic roles of PKCs as either pro-apoptotic or pro-survival kinases in tumour cells makes them attractive targets for the development of new anti-cancer targeted therapies. Due to the pro-apoptotic activity of PKCδ in cells from a broad spectrum of cancer types, and due to its correlation with the p53 tumour suppressor protein, the upregulation of the PKCδ activity, through the development of PKC isoform-selective activators is of great interest. Despite this, these small molecules are still unknown. The historical use of plants in folk medicine, and the chemical characterisation of their secondary metabolism products, have been the basis for the isolation and purification of their natural compounds for the subsequently application in pharmacotherapy, while others are chemically modified in order to improve their pharmacological properties. This use of plant products and their derivatives is clearly demonstrated in the research on cancer treatment, where about half of the small-molecules with anti-cancer properties are of natural origin. Studies on the ethnobotanical uses and phytochemistry of Plectranthus allowed the identification and isolation of several abietane diterpenes, main constituents of the plants crude extract of some of its species, described as having potential therapeutic value. In this work, the screening of a small library of plant extracts obtained from several Plectranthus species, allowed the identification of seven extracts with potent anti-proliferative properties in human tumour cells. Additionally, from the screening of a small library of abietane diterpenes isolated from a P. grandidentatus extract, a potential PKC activator, the royleanone Roy, was identified using a yeast assay, which presented anti-proliferative effect in human tumour cells. Finally, Roy-Bz, was identified as a selective PKCδ activator from the screening of a small library of semi-synthetic derivatives of Roy, using the yeast assay. Roy-Bz showed a potent PKCδ-dependent growth inhibitory activity in human tumour cells through activation of a mitochondrial-mediated apoptotic cell death. vi In conclusion, this work highlights the great value of plant extracts as a source of new potential anticancer agents. In addition, it opens the way to new potential modulators of PKC isoforms isolated from P. grandidentatus extracts. Most importantly, it contributed to the identification of the first selective PKCδ activator, which promising antitumor activity in human tumour cells may envisage a potential application in cancer treatment.

A proteína cinase C (PKC) é uma família de enzimas envolvidas em diversos processos celulares, incluindo a sobrevivência celular, a proliferação e a apoptose. Os papeis característicos das PKCs, seja como cinases pro-apoptóticas ou pro-sobrevivência em células tumorais, fazem das mesmas alvos atraentes para o desenvolvimento de novas terapias direcionadas no tratamento do cancro. Devido à atividade pro-apoptótica da PKCδ observada em células de vários tipos de cancro e devido à sua correlação com a proteína supressora de tumores p53, a supra-regulação da atividade da PKCδ, através do desenvolvimento de ativadores seletivos para isoformas de PKC, é de grande interesse. Apesar disso, estas pequenas moléculas são ainda desconhecidas. O uso, ao longo da história, de plantas na medicina popular e a caracterização química dos produtos dos seus metabolismos secundários, têm sido a base para o isolamento e purificação dos seus compostos naturais para a subsequente aplicação em farmacoterapia, enquanto outros são quimicamente modificados de modo a melhorar as suas propriedades farmacológicas. Esta utilização de produtos vegetais e seus derivados é claramente demonstrada na investigação do tratamento para o cancro, onde cerca de metade das pequenas moléculas com propriedades anticancerosas são de origem natural. Estudos sobre os usos etnobotânicos e a fitoquímica de Plectranthus permitiram a identificação e o isolamento de vários diterpenos de tipo abietano, principais constituintes do extrato bruto de algumas das suas espécies, descritos como tendo um potencial valor terapêutico. Neste trabalho, a pesquisa farmacológica de uma pequena biblioteca de extratos vegetais de várias espécies de Plectranthus, permitiu a identificação de sete extratos com potentes propriedades antiproliferativas em células de tumores humanos. Além disso, a partir da pesquisa farmacológica de uma pequena biblioteca de diterpenos de tipo abietano isolados de um extrato de P. grandidentatus, um potencial ativador de PKCs, a roileanona Roy, foi identificado utilizando um ensaio em levedura, e o qual apresentou efeito antiproliferativo em células de tumor humano. Finalmente, o Roy-Bz foi identificado como sendo um ativador selectivo da PKCδ a viii partir da pesquisa farmacológica de uma pequena biblioteca de derivados semi-sintéticos do Roy, utilizando o ensaio em levedura. O Roy-Bz apresentou uma potente atividade inibidora de crescimento dependente da PKCδ, em células tumorais, através da activação de uma morte celular por apoptose pela via mitocondrial. Em conclusão, este trabalho destaca o grande valor dos extratos vegetais como fonte de potenciais novos agentes anticancerígenos. Além disso, abre o caminho a potenciais novos modeladores de isoformas de PKC isolados a partir de extratos de P. grandidentatus. Mais importante ainda, contribuiu para a identificação do primeiro ativador selectivo da PKCδ, cuja promissora atividade antitumoral em células de tumor humano prevê uma potencial aplicação no tratamento do cancro.